DE102007051820A1

DE102007051820A1 - Micromechanical component with increased rigidity

Info

Publication number: DE102007051820A1
Application number: DE102007051820A
Authority: DE
Inventors: Thomas Klose; Christian Drabe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-10-23
Also published as: US20080239431A1; CN101279708A

Abstract

Ein mikromechanisches Bauelement umfasst eine auslenkbare mikromechanische Funktionsstruktur und eine nichtstarre, vorgespannte Aufhängung, die die mikromechanische Funktionsstruktur in dem mikromechanischen Bauelement positioniert.A micromechanical component comprises a deflectable micromechanical functional structure and a non-rigid prestressed suspension which positions the micromechanical functional structure in the micromechanical component.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Bauelement, bei dem die Steifigkeit erhöht wird und insbesondere auf einen Mikrospiegel mit elektrostatischem Kammantrieb mit erhöhter Steifigkeit.The The invention relates to a micromechanical device, in the rigidity is increased and in particular to one Micromirror with electrostatic comb drive with increased Rigidity.

In mikromechanischen Mikrospiegeln wird eine an Torsionsfedern aufgehängte Spiegelplatte um eine oder zwei Achsen, je nachdem ob es sich um einen ein- oder zweidimensionalen Scannerspiegel handelt, ausgelenkt. Der Antrieb zur Auslenkung kann dabei beispielsweise durch kammförmig angeordnete Elektroden realisiert werden, welche in der Substratebene des mikromechanischen Bauelementes ausgebildet sind. Solche Scannerspiegel sind z. B. in der Dissertation von H. Schenk „Ein neuartiger Mikroaktor zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von Licht" beschrieben. Die Vorteile dieses Prinzips liegen in der vergleichsweise einfachen Fertigung und der hohen Effizienz des Antriebs. Alternativ kann die Elektrodengeometrie auch zusätzlich in der Höhe strukturiert werden, so dass eine dreidimensionale Anordnung entsteht, wie in der Diplomarbeit von Ch. Porth ( „Untersuchung von nichtresonanten Antriebsprinzipien für Mikroscannerspiegel zur niederfrequenten bzw. quasistatischen Lichtablenkung”, Diplomarbeit 2006, TU Dresden ) dargestellt ist.In micromechanical micromirrors, a mirror plate suspended from torsion springs is deflected by one or two axes, depending on whether it is a one- or two-dimensional scanner mirror. The drive for deflection can be realized for example by comb-shaped electrodes, which are formed in the substrate plane of the micromechanical device. Such scanner levels are z. B. in the dissertation of H. Schenk "A novel microactuator for one and two-dimensional deflection of light" described. The advantages of this principle are the comparatively simple production and the high efficiency of the drive. Alternatively, the electrode geometry can also be structured in height, resulting in a three-dimensional arrangement, as described in the diploma thesis of Ch. Porth (FIG. "Investigation of nonresonant drive principles for microscanner mirrors for low-frequency or quasistatic light deflection", diploma thesis 2006, TU Dresden ) is shown.

Ein prinzipieller Nachteil des elektrostatischen Antriebs ist das mögliche Auftreten elektromechanischer Instabilitäten. Diese können sowohl im Normalbetrieb einer Elektrodenanordnung, wie es von J. Mehner in „Entwurf in der Mikrosystemtechnik", Dresden University Press, 1999 und von T. Kießling u. a. in „Bulk micro machined quasistatic torsional micro mirror", in Proceedings von SPIE, MOEMS and Miniaturized Systems, 2004 beschrieben ist, als auch bei unerwünschten Auslenkungen, aufgrund von parasitären elektrostatischen Kräften und Drehmomenten auftreten. Vorausset zung für ein elektromechanisch instabiles Verhalten ist ein elektrostatisches Moment oder eine Kraft, welche in einer Auslenkungsrichtung schneller ansteigt als die mechanischen Rückstellmomente der Torsionsfedern. Das Resultat einer solchen Konstellation ist der so genannte Pull-in-Effekt. Er kann zu einem unkontrollierten Anstieg der Auslenkung führen und falls dies nicht durch geeignete Strukturen begrenzt wird, beispielsweise durch definierte Anschläge, so kann dieses Verhalten zu einer Kollision der Elektroden des elektrostatischen Antriebs führen. Dies kann zur Zerstörung des Bauelements führen und sollte daher unbedingt vermieden werden.A principal disadvantage of the electrostatic drive is the possible occurrence of electromechanical instabilities. These can both in normal operation of an electrode assembly, as it is from J. Mehner in "Design in Microsystems Engineering", Dresden University Press, 1999 and from T. Kießling et al., In "Bulk micro machined quasistatic torsional micro-mirror", in Proceedings of SPIE, MOEMS and Miniaturized Systems, 2004 described, as well as undesirable deflections, due to parasitic electrostatic forces and torques occur. Prerequisite for an electromechanically unstable behavior is an electrostatic moment or a force which increases faster in a deflection direction than the mechanical restoring moments of the torsion springs. The result of such a constellation is the so-called pull-in effect. It can lead to an uncontrolled increase in the deflection and if this is not limited by suitable structures, for example by defined stops, this behavior can lead to a collision of the electrodes of the electrostatic drive. This can lead to the destruction of the device and should therefore be avoided at all costs.

Aufgrund der Arbeitsweise von Mikrospiegeln mit elektrostatischem Kammantrieb können Pull-in-Effekte in Nutzrichtung bei der Verkippung der Spiegelplatte bzw. des beweglichen Rahmens nicht auftreten. Die in einer Elektrodenanordnung wirksamen, parasitären elektrostatischen Momente können jedoch durchaus auch hier zu einer unerwünschten Auslenkung und auch zu einem Pull-in-Effekt führen. Dieser Fall kann eintreten, wenn ein solches Moment in Richtung eines parasitären mechanischen Freiheitsgrades des Mikrospiegels wirkt. Dies kann z. B. die Rotation des Mikrospiegels in der Ebene sein, oder auch eine Translation des Mikrospiegels in der Ebene. Die parasitären elektrostatischen Momente eines Mikrospiegels mit elektrostatischem Kammantrieb resultieren aus der Tatsache, dass sich die Kapazität der Elektrodenanordnung nicht ausschließlich bei der Auslenkung in den genutzten Freiheitsgraden, also als Kippbewegung aus der Ebene heraus, ändern. Beispielsweise kann auch eine geringe Rotation der Spiegelplatte um eine Achse durch die Spiegelplattennormale oder eine Translation der Spiegelplatte innerhalb der Strukturebene zu einer Änderung der Kapazität führen. Daraus kann eine elektrostatische Kraft bzw. ein elektrostatisches Drehmoment entstehen, welches zum Pull-In führen kann.by virtue of the operation of micromirrors with electrostatic comb drive can pull in effects in the direction of tilting the mirror plate or the movable frame does not occur. The active in an electrode assembly, parasitic Electrostatic moments, however, may well be here as well to an undesirable deflection and also to a pull-in effect to lead. This case can occur when such a moment in Direction of a parasitic mechanical degree of freedom the micromirror acts. This can be z. B. the rotation of the micromirror be in the plane, or even a translation of the micromirror in the plane. The parasitic electrostatic moments of a Micromirror with electrostatic comb drive result the fact that the capacitance of the electrode assembly not exclusively at the deflection in the used Degrees of freedom, ie as tilting out of the plane, change. For example, even a slight rotation of the mirror plate about an axis through the mirror plate normal or a translation the mirror plate within the structural plane to a change of Capacity lead. This can be an electrostatic Force or an electrostatic torque arise, which for Pull-in can lead.

Um ein Pull-In zu vermeiden, muss der Anstieg der von der Aufhängung, d. h. den Torsionsfedern, aufgebrachten rückstellenden mechanischen Momente bzw. Kräfte in der Ruhelage des Scanners betragsmäßig größer sein, als der des elektrostatischen Momentes. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird das Gleichgewicht in der Ruhelage instabil. Beliebig kleine Störungen können zu einem Anstieg der Auslenkung und damit zu einem Pull-In führen.Around To avoid a pull-in, the rise of the suspension, d. H. the torsion springs, applied resetting mechanical moments or forces in the rest position of the scanner in terms of amount greater than that of the electrostatic moment. If this condition is not met, the balance becomes unstable in the rest position. Any small disturbances can lead to an increase of the deflection and thus to a pull-in.

Die Spannung, bei der das Momentengleichgewicht gerade instabil wird, wird auch als Stabilitätsspannung oder Pull-in-Spannung bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Betriebsparameter eines Mikrospiegels mit elektrostatischem Kammantrieb. Neben der Spannungsfestigkeit der Isolationen ist die elektrische Stabilitätsspannung eines Bauelements begrenzend für die elektrische Antriebsspannung und damit für die Auslenkung.The Tension at which moment equilibrium becomes unstable is also called stability voltage or pull-in voltage designated. It is an important operating parameter of a micromirror with electrostatic comb drive. In addition to the dielectric strength of the Isolations is the electrical stability voltage of a Component limiting the electrical drive voltage and thus for the deflection.

Eine Erhöhung der lateralen mechanischen Widerstandsfähigkeit durch eine Verbreiterung oder Verkürzung der Torsionsfedern an denen der Mikrospiegel aufgehängt ist kommt in vielen Fällen nicht in Frage, da diese durch eine solche Maßnahme auch in ihrer Torsionsfederhärte beeinflusst werden. Bei resonanten Bauelementen würde sich dadurch die Resonanzfrequenz verändern. Für quasistatische auslenkbare Bauelemente würden sich die vom Antrieb aufzubringenden Kräfte bzw. Momente erhöhen, was wiederum zu einem großen Platzbedarf des Antriebs bzw. zu einer höheren Leistungsaufnahme führt. Dies ist für viele Anwendungen nicht realisierbar oder akzeptabel. Eine einfache Möglichkeit, die mechanische Widerstandsfähigkeit einer aus Torsionsfedern bestehenden Aufhängung zu erhöhen, ist die Optimierung der Angriffspunkte der Federn an der auslenkbaren Struktur. Die auslenkbare Struktur kann z. B. eine Spiegelplatte oder auch ein beweglicher Rahmen bei einem zweidimensionalen Scanner sein. Zumindest der Pull-in-Effekt, der aus dem Rotationsfreiheitsgrad des Scanners innerhalb der Strukturebene resultiert, kann auf diese Weise beeinflusst werden.An increase in the lateral mechanical resistance by broadening or shortening of the torsion springs on which the micromirrors is suspended is in many cases out of the question, since they are influenced by such a measure in their Torsionsfederhärte. For resonant components, this would change the resonance frequency. For quasi-static deflectable components, the forces or moments to be applied by the drive would increase, which in turn leads to a large space requirement of the drive or to a higher power consumption. This is not feasible or acceptable for many applications. An easy way to increase the mechanical resistance of a suspension consisting of torsion springs is the optimization of the points of application of the springs on the deflectable structure. The deflectable structure may, for. B. a mirror plate or a movable frame in a two-dimensional scanner. At least the pull-in effect resulting from the rotational freedom of the scanner within the structure plane can be influenced in this way.

Um eine möglichst große Stabilität zu erreichen, sollten die Angriffspunkte der Federn soweit wie möglich entfernt vom Drehpunkt der parasitären Bewegung angeordnet werden. Aufgrund der Hebelwirkung wird dann das rückstellende mechanische Drehmoment größer.Around to achieve the greatest possible stability The points of application of the springs should be as far as possible away from the pivot point of the parasitic motion become. Due to the leverage then the restoring mechanical torque greater.

Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes liegt in einem erhöhten Platzbedarf des Bauelements, da die Angriffspunkte der Federstrukturen möglichst weit entfernt vom Drehpunkt der parasitären Bewegung angeordnet sein sollen. Außerdem kann nur der parasitäre Rotationsfreiheitsgrad, also die Rotation innerhalb der Strukturebene beeinflusst werden.One Disadvantage of this approach lies in an increased Space requirement of the device, since the points of attack of the spring structures as far away from the fulcrum of the parasitic Movement should be arranged. In addition, only the parasitic rotational degree of freedom, ie the rotation within of the structural level.

In der EP 1 338 553 A2 wird ein weiterer Lösungsansatz vorgestellt. Dieser Ansatz basiert auf der Idee, eine gerade Torsionsfeder zusätzlich zu strukturieren. Wird diese als eine Art Fachwerkstruktur ausgeführt, lässt sich die laterale Steifigkeit bei konstanter Torsionsfederhärte erhöhen.In the EP 1 338 553 A2 Another solution is presented. This approach is based on the idea of structuring a straight torsion spring in addition. If this is carried out as a kind of framework structure, the lateral stiffness can be increased with constant torsion spring hardness.

Es wird also eine Möglichkeit gesucht, die laterale mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, ohne die Torsionsfederhärte des genutzten Freiheitsgrades stark zu beeinflussen, beispielsweise zu erhöhen.It So a possibility is sought, the lateral mechanical Resistance to increase without the torsion spring strongly influence the degree of freedom used, for example to increase.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches Bauelement zu schaffen, das eine erhöhte Steifigkeit aufweist, bei dem eine Torsionsbewegung um eine Torsionsachse nicht oder nur geringfügig beeinflusst wird.It The object of the present invention is a micromechanical To provide a component which has increased rigidity, in which a torsional movement about a torsion axis is not or only is slightly influenced.

Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.These The object is achieved by a micromechanical component according to claim 1 solved.

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein mikromechanisches Bauelement mit einer auslenkbaren mikromechanischen Funktionsstruktur, und einer nichtstarren, vorgespannten Aufhängung, die die mikromechanische Funktionsstruktur in dem mikromechanischen Bauelement positioniert.According to embodiments The present invention provides a micromechanical device with a deflectable micromechanical functional structure, and a non-rigid, preloaded suspension that defines the micromechanical functional structure positioned in the micromechanical device.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred Embodiments of the present invention will be Referring now to the attached drawings explained in more detail. Show it:

1 eine Draufsichtdarstellung eines an Torsionsfedern aufgehängten Mikrospiegels mit zugehörigen Kammelektroden und dem aus dem Rotationsfreiheitsgrad der Spiegelplatte resultierenden Pull-in-Effekt; 1 a top view of a hung on torsion springs micromirror with associated comb electrodes and the resulting from the rotational degree of freedom of the mirror plate pull-in effect;

2 ein Diagramm des parasitären Drehmoments in Richtung der Normalen der Strukturebene einer Spiegelplatte und den dazugehörigen mechanischen Freiheitsgrad; 2 a diagram of the parasitic torque in the direction of the normal of the structural plane of a mirror plate and the associated mechanical degree of freedom;

3 eine Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen Bauelements mit erhöhter Steifigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a top view of a micromechanical device with increased rigidity according to an embodiment of the present invention;

4 eine Prinzipsskizze einer Aufhängung mit einer vorgespannten Torsionsfeder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic diagram of a suspension with a prestressed torsion spring according to an embodiment of the present invention;

5 eine Prinzipsskizze einer Aufhängung mit einer durch intrinsischen Zugspannungen vorgespannten Torsionsfeder gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; 5 a schematic diagram of a suspension with a biased by intrinsic tensile torsion spring according to another embodiment;

6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorspannung der Aufhängung hier durch das Einbringen von intrinsischen Druckspannungen innerhalb eines Chiprahmens realisiert ist; 6 another embodiment of the present invention, wherein the bias of the suspension is realized here by the introduction of intrinsic compressive stresses within a chip frame;

7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vorspannung durch eine intrinsische Zugspannung innerhalb der auslenkbaren Struktur realisiert wird; 7 another embodiment of the present invention, wherein the bias voltage is realized by an intrinsic tensile stress within the deflectable structure;

8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vorspannung der Torsionsfeder durch eine Struktur mit einem eingeprägten Spannungsgradienten realisiert wird; 8th a further embodiment of the present invention, wherein the bias of the torsion spring is realized by a structure with an impressed voltage gradient;

9 eine Darstellung von Torsionsfedern nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei denen die intrinsische Zugspannung in den Torsionsfedern selbst realisiert wird; 9 a representation of torsion springs according to an embodiment of the present invention, in which the intrinsic tensile stress is realized in the torsion springs themselves;

10 ein Ausführungsbeispiel für eine in Silizium gefertigte Struktur mit intrinsischer Zugspannung; 10 an embodiment of a structure made of silicon with intrinsic tensile stress;

11 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer intrinsische Zugspannung in einer Silizium/Silizium-Nitridschicht; 11 a further embodiment for generating an intrinsic tensile stress in a silicon / silicon nitride layer;

12 eine Querschnittdarstellung einer Struktur bestehend aus Siliziumdioxid, Silizium/Silizium-Nitrid, durch die ein Spannungsgradient innerhalb dieser Struktur erzeugt werden kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 12 a cross-sectional view of a structure consisting of silicon dioxide, silicon / silicon nitride, through which a voltage gradient can be generated within this structure according to an embodiment of the invention;

13 eine Querschnittdarstellung einer Struktur mit unsymmetrischer Materialanordnung zur Erzeugung einer intrinsischen Druckspannung; und 13 a cross-sectional view of a Structure with asymmetrical material arrangement for generating an intrinsic compressive stress; and

14 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die für die Vorspannung der Torsionsfedern benötigte Kraft auch aktiv z. B. durch einen elektrostatischen Kammantrieb erzeugt werden kann. 14 a further embodiment of the present invention, in which the force required for the bias of the torsion springs also active z. B. can be generated by an electrostatic comb drive.

Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Torsionsfedern an ihren Enden mit einer Kraft beaufschlagt, so dass die Strukturen parallel zur Torsionsachse gespannt werden. Die dabei in den Federn entstehenden mechanischen Zugspannungen führen zu einer starken Erhöhung der lateralen Steifigkeit. Das Grundprinzip entspricht also dem Spannen einer Gitarrenseite. Die Torsionsfederhärte wird dabei kaum verändert bzw. nur geringfügig erhöht. Die für die Realisierung dieser Idee benötigten Kräfte an den Enden der Federn können vorzugsweise durch gezieltes Einbringen von intrinsischen Materialspannungen, alternativ auch durch einen zusätzlichen Aktor, welcher z. B. nach dem elektrostatischen, dem piezoelektrischen, dem magnetischen, dem thermischen, dem magnetostriktiven oder einem anderen entsprechenden Prinzip funktioniert, realisiert werden.According to embodiments The invention torsional springs are at their ends with a force subjected to, so that the structures parallel to the torsion axis be tense. The resulting in the springs mechanical Tensile stresses lead to a strong increase lateral stiffness. The basic principle therefore corresponds to the clamping a guitar page. The torsion spring hardness is thereby hardly changed or only slightly increased. The forces needed to realize this idea at the ends of the springs can preferably by targeted Introduction of intrinsic material stresses, alternatively also by an additional actuator, which z. B. after electrostatic, the piezoelectric, the magnetic, the thermal, the magnetostrictive or another corresponding Principle works, be realized.

In 1 wird zunächst ein Aufbau eines eindimensionalen Scannerspiegels mit elektrostatischem Antrieb und das Auftreten einer unerwünschten Rotationsablenkung, die zu einem Pull-in-Effekt führen kann, dargestellt. Der Scannerspiegel 10 weist eine Spiegelplatte 1 auf, an deren Seite Elektrodenkämme 1a und 1b angebracht sind, die für den elektrostatischen Antrieb benötigt werden. Die Spiegelplatte 1 ist über Torsionsfedern 2 aufgehängt und so positioniert, dass die Finger der Elektrodenkämme 1a und 1b so in die Finger der Gegenelektrodenkämme 3a und 3b greifen, dass die Finger unter Normalbedingungen einen konstanten Abstand d aufweisen. Die Funktionalität des Scannerspiegels beruht nun darauf, dass das Anlegen einer Spannung an den Elektroden eine Drehung der Spiegelplatte um die Torsionsachse, die durch die beiden mittig angebrachten Torsionsfedern 2 gebildet wird, erzeugt. Durch die Verdrillung der Federn entsteht ein mechanisches Rückstellmoment, das proportional mit dem Auslenkwinkel der Platte zunimmt und dem elektrostatischen Drehmoment, welches durch eine Spannung zwischen den Elektrodenkämmen 1a, 1b und 3a, 3b erzeugt wird, entgegengerichtet ist.In 1 First, a structure of a one-dimensional scanner mirror with electrostatic drive and the occurrence of an undesirable rotation deflection, which can lead to a pull-in effect, shown. The scanner mirror 10 has a mirror plate 1 on, at their side electrode combs 1a and 1b attached, which are needed for the electrostatic drive. The mirror plate 1 is about torsion springs 2 hung and positioned so that the fingers of the electrode combs 1a and 1b so in the fingers of the Gegenelektrodenkämme 3a and 3b grasp that the fingers have a constant distance d under normal conditions. The functionality of the scanner mirror now relies on the application of a voltage across the electrodes to a rotation of the mirror plate about the torsion axis, through the two centrally mounted torsion springs 2 is formed. The twisting of the springs produces a mechanical restoring moment that increases proportionally with the deflection angle of the plate and the electrostatic torque created by a voltage between the electrode combs 1a . 1b and 3a . 3b is generated, is opposite.

In der 1 ist nun gezeigt, dass es beim elektrostatischen Antrieb zu elektromechanischen Instabilitäten kommen kann, die sowohl beim Normalbetrieb, als auch durch unerwünschte Auslenkung aufgrund von parasitären elektrostatischen Kräften und Drehmomenten auftreten können. Voraussetzung für ein elektromechanisch instabiles Verhalten ist ein elektrostatisches Moment oder eine Kraft F_el, welches in einer Auslenkrichtung schneller ansteigt als die mechanischen Rückstellmomente bzw. Rückstellkräfte –F_y. Das Resultat einer solchen Konstellation kann der so genannte Pull-in-Effekt sein, der zu einem unkontrollierten Anstieg der Auslenkung führen kann. Dies kann unter Umständen zu einer Kollision der Elektroden 1a, 3a bzw. 1b, 3b führen. Dieser Fall kann z. B. eintreten, wenn ein solches parasitäres Moment in Richtung eines mechanischen Freiheitsgrades des Mikrospiegels 1 wirkt. In 1 ist dies beispielsweise die Rotation um die z-Achse, welche die Normale zur xy-Ebene bildet, in der die Spiegelplatte 1 angeordnet ist. Die parasitären elektrostatischen Momente eines Mikrospiegels mit elektrostatischem Kammantrieb resultieren aus der Tatsache, dass sich die Kapazität der Elektrodenanordnung nicht ausschließlich bei Auslenkung in den genutzten Freiheitsgraden, also der Kippbewegung aus der Ebene heraus, ändern. So führt beispielsweise die dargestellte Rotation um die z-Achse oder eine Translation innerhalb der Strukturebene (xy-Ebene) zu einer Änderung der Kapazität. Daraus folgt eine elektrostatische Kraft bzw. ein elektrostatisches Drehmoment M_el,z welches zum Pull-In führen kann.In the 1 It has now been shown that the electrostatic drive can lead to electromechanical instabilities, which can occur both during normal operation and due to undesired deflection due to parasitic electrostatic forces and torques. Prerequisite for an electromechanically unstable behavior is an electrostatic moment or force F _el , which increases faster in a deflection than the mechanical restoring moments or restoring forces -F _y . The result of such a constellation can be the so-called pull-in effect, which can lead to an uncontrolled increase in the deflection. This can possibly lead to a collision of the electrodes 1a . 3a respectively. 1b . 3b to lead. This case can z. B. occur when such a parasitic moment in the direction of a mechanical degree of freedom of the micromirror 1 acts. In 1 this is, for example, the rotation about the z-axis, which forms the normal to the xy plane, in which the mirror plate 1 is arranged. The parasitic electrostatic moments of a micromirror with an electrostatic comb drive result from the fact that the capacitance of the electrode arrangement does not change exclusively when deflected in the degrees of freedom used, ie the tilting movement out of the plane. For example, the illustrated rotation about the z-axis or translation within the structure plane (xy-plane) results in a change in capacitance. This results in an electrostatic force or an electrostatic torque M _{el, z} which can lead to pull-in.

In 2 ist dieser Zusammenhang am Beispiel eines parasitären Drehmomentes in Richtung der Normalen der Strukturebene und den dazugehörigen mechanischen Freiheitsgrad dargestellt.In 2 This relationship is shown using the example of a parasitic torque in the direction of the normal of the structural plane and the associated mechanical degree of freedom.

In der 2 sind das rückstellende mechanische Drehmoment – M_t,z und das elektrostatische Drehmoment M_el,z auf der Abszisse des Diagramms in willkürlichen Einheiten darge stellt. Auf der x-Achse ist das Verhältnis der Auslenkung s zu dem normalen Abstand d der Finger der Kammelektroden dargestellt. Existiert also kein parasitäres elektrostatisches Drehmoment und damit keine Auslenkung, nimmt s einen Wert von Null an und somit auch das Verhältnis von s zu d, was durch die Ruhelageposition 13 im Diagramm ausgedrückt wird. Wie der 2 zu entnehmen ist, weist das rückstellende mechanische Drehmoment, welches durch den Graphen 12 dargestellt ist, ein lineares Verhalten zur Auslenkung auf. Die elektrostatischen Momente, durch die Graphen 14a bis 14c dargestellt, sind von der angelegten Spannung zwischen den Elektrodenkämmen abhängig und weisen kein lineares Verhalten auf. Das heißt, wenn der Anstieg des elektrostatischen Moments in der Ruhelage größer ist, als das rückstellende mechanische Moment, kann dies zu einem Anstieg der Auslenkung und damit zu einem Pull-In führen. Die Spannung, bei der das Momentengleichgewicht gerade instabil wird, wird auch als Stabilitätsspannung oder Pull-In-Spannung bezeichnet. Sie ist ein wichtiger Betriebsparameter eines Mikrospiegels mit elektrostatischem Kammantrieb. Neben der elektrischen Spannungsfestigkeit der Isolationen, welche in Scannerspiegeln verwendet werden (nicht dargestellt in der Zeichnung) ist die Stabilitätsspannung eines Bauelements begrenzend für die Antriebsspannung und damit für die Auslenkung eines Scannerspiegels.In the 2 are the restoring mechanical torque - M _{t, z} and the electrostatic torque M _{el, z represents} on the abscissa of the diagram in arbitrary units Darge. The ratio of the deflection s to the normal distance d of the fingers of the comb electrodes is shown on the x-axis. So there is no parasitic electrostatic torque and thus no deflection, s assumes a value of zero and thus the ratio of s to d, which by the rest position 13 is expressed in the diagram. Again 2 can be seen, has the restoring mechanical torque, which through the graph 12 is shown, a linear behavior to the deflection. The electrostatic moments, through the graphs 14a to 14c are dependent on the applied voltage between the electrode combs and have no linear behavior. That is, if the increase in the electrostatic moment in the rest position is greater than the restoring mechanical moment, this can lead to an increase in the deflection and thus to a pull-in. The voltage at which the moment equilibrium is just becoming unstable is also referred to as the stability voltage or pull-in voltage. It is an important operating parameter of a micromirror with electrostatic comb drive. In addition to the electrical withstand voltage of the insulators used in scanner mirrors (not shown in Figs the drawing) is the stability voltage of a component limiting the drive voltage and thus for the deflection of a scanner mirror.

In 3 ist das Prinzip für ein mikromechanisches Bauelement mit erhöhter Steifigkeit anhand eines Mikroscannerspiegels 10 mit seiner Spiegelplatte 1 und den Elektrodenkämmen 1a und 1b aufgehängt an Torsionsfedern 2 gezeigt, so dass im Normalbetrieb die Finger der Elektrodenkämme 1a und 1b gegenüber den Fingern der Elektrodenkämme 3a und 3b einen definierten Abstand d aufweisen. In 3 ist nun dargestellt, dass durch eine Beaufschlagung der Torsionsfedern an den Federenden mit einer Kraft 20 die Spiegelplatte 1 und die Torsionsfedern in Torsionsachsenrichtung gespannt werden können. Die dabei in den Torsionsfedern 2 entstehenden mechanischen Zugspannungen führen zu einer starken Erhöhung der lateralen Steifigkeit, was dem Prinzip des Spannens einer Gitarrenseite entspricht. Die Torsionsfederhärte, die für die Drehung der Spiegelplatte um die Torsionsachse, die durch die beiden mittig angebrachten Torsionsfedern gebildet wird, bestimmt wird, wird dabei kaum verändert oder nur geringfügig erhöht. Durch das Vorspannen der Torsionsfedern 2 kann also ein erhöhtes, den elektrostatischen Momenten entgegen gerichtetes, mechanisches Moment in dem Bauelement bzw. Scannerspiegel erzielt werden. Die für die Realisierung dieser Vorspannung der Aufhängung benötigten Kräfte an den Enden der Torsionsfeder können vorzugsweise durch gezieltes Einbringen von intrinsischen Materialspannungen, alternativ aber auch durch einen zusätzlichen Aktor realisiert werden.In 3 is the principle for a micromechanical device with increased rigidity on the basis of a microscanner mirror 10 with his mirror plate 1 and the electrode combs 1a and 1b suspended on torsion springs 2 shown so that in normal operation the fingers of the electrode combs 1a and 1b opposite the fingers of the electrode combs 3a and 3b have a defined distance d. In 3 is now shown that by acting on the torsion springs at the spring ends with a force 20 the mirror plate 1 and the torsion springs can be tensioned in torsion axis direction. The case in the torsion springs 2 resulting mechanical tensile stresses lead to a strong increase in lateral stiffness, which corresponds to the principle of tensioning a guitar side. The torsion spring hardness, which is determined for the rotation of the mirror plate about the torsion axis, which is formed by the two centrally mounted torsion springs, is hardly changed or only slightly increased. By preloading the torsion springs 2 Thus, an increased, the electrostatic moments directed opposite, mechanical moment in the device or scanner mirror can be achieved. The forces required for the realization of this bias of the suspension at the ends of the torsion spring can preferably be realized by targeted introduction of intrinsic material stresses, but alternatively also by an additional actuator.

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Prinzipsskizze dargestellt. Dabei weist der bereits oben beschriebene eindimensionale Scannerspiegel 10 an den Enden der Torsionsfeder 2a freistehende, in die Torsionsfedern 2 mündende Strukturen 22a auf, durch die das gezielte Einbringen von Zugspannungen in die Torsionsfedern 2 erfolgen kann. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel werden die Torsionsfedern 2 durch Zugspannungen, welche durch in die freistehende Struktur 22a eingebrachte intrinsischen Druckspannungen (σ < 0) hervorgerufen werden, vorgespannt. Die so vorgespannten Torsionsfedern weisen ein erhöhtes mechanisches rückstellendes Moment gegen parasitäre Momente auf. Die Spiegelplatte 1 mit den vorgespannten Torsionsfedern 2 des Scannerspiegels 10 weist also eine erhöhte Steifigkeit gegenüber parasitären rotatorischen und translatorischen Bewegungen auf.In 4 An embodiment of the present invention is shown in a schematic diagram. In this case, the one-dimensional scanner mirror already described above 10 at the ends of the torsion spring 2a freestanding, in the torsion springs 2 opening structures 22a on, by the targeted introduction of tensile stresses in the torsion springs 2 can be done. That is, in this embodiment, the torsion springs 2 by tensile stresses passing through into the freestanding structure 22a introduced intrinsic compressive stresses (σ <0) are caused, biased. The thus biased torsion springs have an increased mechanical restoring moment against parasitic moments. The mirror plate 1 with the prestressed torsion springs 2 the scanner mirror 10 thus has an increased stiffness against parasitic rotational and translational movements.

Eine andere Möglichkeit, die Torsionsfedern 2 für den Scannerspiegel 10 vorzuspannen, wird in 5 veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Aufhängung mit einer vorgespannten Torsionsfeder durch das gezielte Einbringen einer intrinsischen Zugspannung (σ > 0) innerhalb freistehender, in die Torsionsfedern 2 mündende Struk turen 22b realisiert. Wie im vorhergehenden Beispiel können die Strukturen 22b eine Zugspannung in den Torsionsfedern erzeugen. Daraus resultiert wiederum ein erhöhtes mechanisches rückstellendes Moment gegenüber parasitären elektrostatischen Drehmomenten oder anderen Kräften und Drehmomenten, welche die Positionierung der Finger der Elektrodenkämme 1a und 1b zwischen den Fingern der Gegenelektroden 3a und 3b stört. Die Torsionsfederhärte für die Drehung der Spiegelplatte 1 um die durch die Torsionsfedern 2 gebildete Drehachse wird dabei kaum oder nur geringfügig verändert, beispielsweise kann sie geringfügig erhöht werden.Another option, the torsion springs 2 for the scanner mirror 10 to harness in 5 illustrated. In this embodiment, the suspension with a prestressed torsion spring by the targeted introduction of an intrinsic tensile stress (σ> 0) within freestanding, in the torsion springs 2 opening structures 22b realized. As in the previous example, the structures 22b create a tensile stress in the torsion springs. This, in turn, results in an increased mechanical restoring moment against parasitic electrostatic torques or other forces and torques which affect the positioning of the fingers of the electrode combs 1a and 1b between the fingers of the counter electrodes 3a and 3b disturbs. The torsion spring hardness for the rotation of the mirror plate 1 around by the torsion springs 2 formed axis of rotation is barely or only slightly changed, for example, it can be increased slightly.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorspannung der Torsionsfedern 2 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das Einbringen von intrinsischen Druckspannungen (σ < 0) innerhalb eines Chiprahmens 22c, in welchem die Spiegelplatte über die Torsionsfedern 2 aufgehängt ist, realisiert. In diesem Ausführungsbeispiel wird also die Vorspannung der Torsionsfedern durch Strukturen erreicht, die üblicherweise Bestandteil des Scannerspiegels sind. Durch die im Chiprahmen 22c erzeugte Druckspannung werden die Torsionsfedern 2 vorgespannt, was wiederum zu der oben erwähnten erhöhten Steifigkeit der Spiegelplatte gegenüber rotatorischen oder translatorischen Drehmomenten oder Kräften führt.In 6 another embodiment of the present invention is shown. The bias of the torsion springs 2 is in this embodiment by the introduction of intrinsic compressive stresses (σ <0) within a chip frame 22c in which the mirror plate over the torsion springs 2 hung up, realized. In this embodiment, therefore, the bias of the torsion springs is achieved by structures that are usually part of the scanner mirror. Through the in the chip frame 22c generated compressive stress become the torsion springs 2 biased, which in turn leads to the above-mentioned increased rigidity of the mirror plate against rotational or translational torques or forces.

7 enthält ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Vorspannung der Torsionsfedern 2 durch eine intrinsische Zugspannung (σ > 0), in der Zeichnung durch die Pfeile 22d angedeutet, innerhalb der Spiegelplatte 1 realisiert wird. Diese intrinsische Zugspannung führt wieder zu einer Vorspannung der Torsionsfedern 2, wodurch deren laterale Steifigkeit erhöht werden kann. 7 contains a further embodiment of the present invention, in which the bias of the torsion springs 2 by an intrinsic tensile stress (σ> 0), in the drawing by the arrows 22d indicated inside the mirror plate 1 is realized. This intrinsic tensile stress leads again to a bias of the torsion springs 2 , whereby their lateral rigidity can be increased.

In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem die Vorspannung der Torsionsfedern durch eine auf die Torsionsfedern wirkende Zugbeanspruchung erreicht wird. Diese Zugbeanspruchung kann durch eine Struktur 22e, die einen eingeprägten mechanischen Spannungsgradienten aufweist, welcher in einem intrinsischen Biegemoment der Struktur 22e resultiert, erzielt werden. Das heißt die für die Vorspannung der Torsionsfedern 2 nötige Zugspannung wird durch das intrinsische Biegemoment der Struktur 22e realisiert.In 8th another embodiment of the present invention is shown in which the bias of the torsion springs is achieved by acting on the torsion springs tensile stress. This tensile stress can be due to a structure 22e , which has an impressed mechanical stress gradient, which results in an intrinsic bending moment of the structure 22e results are achieved. That is, for the bias of the torsion springs 2 necessary tensile stress is due to the intrinsic bending moment of the structure 22e realized.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eines mikromechanischen Bauelementes mit erhöhter Steifigkeit ist in 9 ein Beispiel dargestellt, in der die intrinsische Zugspannung (σ > 0) in den Torsionsfedern selbst realisiert wird. Das heißt die Torsionsfedern können durch ihre Beschaffenheit eine intrinsische Zugspannung aufweisen, was ebenfalls zu Zugkräften an den Federenden 2a und 2b führt, was zu einer erhöhten lateralen Steifigkeit und damit zu einem höheren rückstellenden mechanischen Moment gegenüber parasitären elektrostatischen oder mechanischen Drehmomenten führt.As a further embodiment of the present invention of a micromechanical component with increased rigidity is in 9 an example is shown, in which the intrinsic tensile stress (σ> 0) is realized in the torsion springs themselves. That is, the torsion springs can by their Be have an intrinsic tensile stress, which also leads to tensile forces at the spring ends 2a and 2 B leads, which leads to an increased lateral stiffness and thus to a higher restoring mechanical torque against parasitic electrostatic or mechanical torques.

Es ist denkbar, dass in den oben dargestellten Ausführungsbeispielen nur auf eine Torsionsfeder bzw. einer Seite der Aufhängung eine Zugkraft realisiert wird. Ebenfalls sind Kombinationen der verschiedenen Ausführungsbeispiele denkbar und realisierbar. Beispielsweise kann eine Zugspannung in der auslenkbaren Struktur und eine Druckspannung in dem entsprechenden Chiprahmen erfolgen. Bei dem mikromechanischen Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich z. B. um eine in Silizium oder einem anderen halbleitenden Material gefertigte Struktur handeln. Es ist auch denkbar, dass andere Federformen, wie sie beispielsweise in der Patentanmeldung PCT/DE2006/000746 beschrieben sind, verwendet werden.It is conceivable that in the embodiments shown above, only on a torsion spring or a side of the suspension, a tensile force is realized. Also, combinations of the various embodiments are conceivable and feasible. For example, a tensile stress in the deflectable structure and a compressive stress in the corresponding chip frame can take place. In the micromechanical device according to the present invention, it may, for. B. be a structure made in silicon or other semiconducting material. It is also conceivable that other spring shapes, as used for example in the patent application PCT / DE2006 / 000746 described are used.

Eine Möglichkeit, intrinsische mechanische Spannungen, so wie in den obigen Ausführungsbeispielen dargestellt, in eine in Silizium gefertigte Struktur einzubringen, ist beispielsweise in 10 dargestellt. Durch teilweise oder vollständige Oxidation einer Struktur 28 kann ein Schichtsystem aus Silizium 30 und Siliziumdioxid 31a, 31b erzeugt werden. In dem dargestellten Beispiel weist das Silizium 30 keine intrinsische Spannung auf, weshalb σ = 0 gilt, während die beiden Siliziumdioxidschichten 31a, 31b oberhalb und unterhalb der Siliziumschicht 30 eine intrinsische Druckspannung mit σ < 0 aufweisen. Die Struktur 28, welche auf Silizium basiert, weist also eine resultierende intrinsische Druckspannung σ < 0 auf.One possibility for introducing intrinsic mechanical stresses, as shown in the above exemplary embodiments, into a structure produced in silicon is, for example, in US Pat 10 shown. By partial or complete oxidation of a structure 28 can be a layered system of silicon 30 and silica 31a . 31b be generated. In the example shown, the silicon 30 no intrinsic stress, which is why σ = 0, while the two silicon dioxide layers 31a . 31b above and below the silicon layer 30 have an intrinsic compressive stress with σ <0. The structure 28 , which is based on silicon, thus has a resultant intrinsic compressive stress σ <0.

11 zeigt eine andere Möglichkeit, um in eine Silizium gefertigte Struktur eine intrinsische mechanische Zugspannung einzubringen. In diesem Ausführungsbeispiel kann auf eine Siliziumstruktur 30 eine Siliziumnitridschicht 32a bzw. 32b aufgebracht werden, so dass, wie in der 11 dargestellt, die Gesamtstruktur 28 eine intrinsische Zugspannung mit σ > 0 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Siliziumnitridschicht 32a und 32b eine intrinsische Zugspannung σ > 0 gegenüber der Siliziumschicht mit σ = 0 auf, weshalb sich eine intrinsische Gesamtzugspannung σ > 0 für die Struktur 28 ergibt. 11 shows another possibility for introducing an intrinsic mechanical tensile stress into a structure made of silicon. In this embodiment may refer to a silicon structure 30 a silicon nitride layer 32a respectively. 32b be applied, so that, as in the 11 represented the forest 28 has an intrinsic tensile stress with σ> 0. In this embodiment, the silicon nitride layer 32a and 32b an intrinsic tensile stress σ> 0 with respect to the silicon layer with σ = 0, resulting in an intrinsic total tensile stress σ> 0 for the structure 28 results.

Wie in 12 dargestellt, lässt sich ein mechanischer Spannungsgradient innerhalb einer Siliziumstruktur beispielsweise durch eine Kombination der Methoden zur Erzeugung von Druck- und Zugspannung realisieren. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Siliziumschicht 30, welche keinerlei intrinsische mechanische Spannung aufweist (σ = 0) auf der Strukturoberseite oxidiert, so dass eine Siliziumdioxidschicht 31a entsteht, welche eine intrinsische Druckspannung (σ < 0) aufweist. Auf die Strukturunterseite kann dann beispielsweise eine Siliziumnitridschicht 32b abgeschieden werden, die eine intrinsische Zugspannung (σ > 0) aufweist. Aus dieser Kombination der Schichten entsteht dann ein mechanischer Spannungsgradient innerhalb der Struktur 28.As in 12 As shown, a mechanical stress gradient within a silicon structure can be realized, for example, by a combination of the methods for generating compressive and tensile stress. In this embodiment, a silicon layer 30 , which has no intrinsic mechanical stress (σ = 0) on the top of the structure oxidized, so that a silicon dioxide layer 31a arises, which has an intrinsic compressive stress (σ <0). On the structure base can then, for example, a silicon nitride layer 32b are deposited, which has an intrinsic tensile stress (σ> 0). From this combination of layers, a mechanical stress gradient then arises within the structure 28 ,

Denkbar ist auch, wie in einem weiteren Ausführungsbeispiel in 13 gezeigt, eine unsymmetrische Anordnung der betreffenden Materialien innerhalb des Schichtsystems bzw. der Struktur 28. Wie in 13 gezeigt, kann beispielsweise nur eine Seite der Siliziumschicht 30 eine Siliziumdioxidschicht 31a aufweisen. Aufgrund der intrinsischen Druckspannung der Siliziumdioxidschicht ergibt sich für die Gesamtstruktur 28 ein Spannungsgradient.It is also conceivable, as in a further embodiment in 13 shown an asymmetrical arrangement of the relevant materials within the layer system or the structure 28 , As in 13 For example, only one side of the silicon layer may be shown 30 a silicon dioxide layer 31a exhibit. Due to the intrinsic compressive stress of the silicon dioxide layer results for the overall structure 28 a voltage gradient.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur vorliegenden Erfindung ist in 14 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die für die Vorspannung der Torsionsfedern 2 benötigte Kraft aktiv erzeugt. In dem Ausführungsbeispiel wird die für die Vorspannung benötigte Kraft durch einen elektrostatischen Kammantrieb 22g erzeugt, der bei Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen den beiden Kammelektroden 22g', 22g'' eine Kraft erzeugen kann. Ein solcher Kammantrieb bzw. allgemeiner Aktor könnte beispielsweise auch innerhalb der auslenkbaren Spiegelplatte ausgebildet sein. Weiterhin ist denkbar, dass eine Kombination beider Varianten zum Einsatz kommt. Anstelle des elektrostatischen Kammantriebes 22g können auch andere Aktoren mit beispielsweise einem piezoelektrischen, magnetischen, thermischen oder einem anderen physikalisch-chemischen Antriebsprinzip zum Einsatz kommen.Another embodiment of the present invention is in 14 shown. In this embodiment, the bias for the torsion springs 2 required force generated actively. In the embodiment, the force required for the bias voltage by an electrostatic comb drive 22g generated when applying a suitable voltage between the two comb electrodes 22g ' . 22g '' can generate a force. Such a comb drive or general actuator could for example also be formed within the deflectable mirror plate. Furthermore, it is conceivable that a combination of both variants is used. Instead of the electrostatic comb drive 22g It is also possible to use other actuators with, for example, a piezoelectric, magnetic, thermal or another physico-chemical drive principle.

Eine Vorspannung der Aufhängung bzw. der Torsionsfedern kann mit Hilfe eines Aktors erfolgen, der eine Zugspannung in die Geometrie des mikromechanischen Bauelements einbringt, wobei dann die Antriebsstruktur (Aktor) arretiert werden kann. Auf diese Weise kann die Vorspannung an einem beliebigen Zeitpunkt aktiviert werden. Es wird dann aber nach der Arretierung keine Ansteuerung mehr benötigt, um den Zustand beizubehalten. Wird die Antriebsstruktur nicht arretiert, kann die Vorspannung durch den Aktor beliebig eingestellt und eventuell auch verändert werden.A Preload the suspension or the torsion springs can with the help of an actuator, which creates a tension in the geometry of the micromechanical component, in which case the drive structure (Actuator) can be locked. In this way, the bias can be activated at any time. It will then but after the lock no more control needed to the Condition to maintain. If the drive structure is not locked, The bias voltage can be set arbitrarily by the actuator and possibly also to be changed.

Außerdem kann sowohl eine intrinsische Vorspannung, als auch eine aktive Vorspannung der Federn bzw. Aufhängung realisiert werden, indem beim mechanischen Aufbau des Bauelements Maßnahmen ergriffen werden, z. B. durch Einbringen einer intrinsischen Zugspannung im Gehäuse des Bauelements oder durch Montage des Bauelements auf einem auslenkbaren Substrat, wie z. B. einem Piezokristall.In addition, both an intrinsic bias, as well as an active bias of the springs or suspension can be realized by the mechanical design of the device measures are taken, for. B. by introducing an intrinsic tensile stress in the housing of the device or by mounting the device a deflectable substrate, such. B. a piezoelectric crystal.

Das mikromechanische Bauelement kann z. B. den in den Ausführungsbeispielen angeführten Systemen aus Spiegelplatte und Torsionsfeder entsprechen, wobei die auslenkbare mikromechanische Funktionsstruktur die Spiegelplatte darstellen kann und die nichtstarre, vorgespannte Aufhängung, die vorgespannten Torsionsfedern darstellen können, die in den Ausführungsbeispielen die Spiegelplatte mit ihren Elektrodenkämmen positionieren.The micromechanical component can z. B. in the embodiments mentioned systems of mirror plate and torsion spring correspond, wherein the deflectable micromechanical functional structure the mirror plate can represent and the non-rigid, preloaded Suspension, which are prestressed torsion springs can, in the embodiments, the mirror plate position with their electrode combs.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten für mikromechanische Bauelemente mit vorgespannter Aufhängung bzw. vorgespannten Torsionsfedern sind z. B. im Bereich der Datenaufnahme zu sehen, also z. B. eindimensionale, zweidimensionale Scanner, oder auch im Bereich der Mikroskopie. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind im Bereich der Datenausgabe für Laserdisplays, Laserdrucker, Laserbelichter usw. gegeben. Der Einsatz der mikromechanischen Bauelemente mit vorgespannter Aufhängung ist z. B. auch im Bereich der Strahlengangmanipulation für optische Geräte, wie z. B. Fourier-Spektrometer, der Weglängenmodulation oder anderer optischer Geräte denkbar. Ebenfalls ist der Einsatz mikromechanischer Bauelemente mit vorgespannten Torsionsfedern auch in Druck-, Beschleunigungs- oder Viskositätssensoren möglich.Further Applications for micromechanical components with preloaded suspension or prestressed torsion springs are z. B. in the field of data recording, ie z. B. one-dimensional, two-dimensional scanners, or in the field of microscopy. Other applications are in the field of data output for laser displays, laser printers, laser printers, etc. The use of micromechanical components with prestressed Suspension is z. B. also in the field of optical path manipulation for optical devices, such. B. Fourier spectrometer, path length modulation or other optical devices conceivable. Also, the use of micromechanical components with prestressed torsion springs also in pressure, acceleration or Viscosity sensors possible.

Bei dem mikromechanischen Bauelement und der darin angeordneten auslenkbaren mikromechanischen Funktionsstruktur muss es sich also nicht um eine optische Funktionsstruktur oder eine Spiegelplatte handeln. Die Steifigkeit der nichtstarren, vorgespannten Aufhängung wird nicht nur lateral, sondern auch senkrecht zu der Ebene, an der die Aufhängung angreift, erhöht. Dies könnte beispielsweise auch dazu eingesetzt werden, um die Schockfestigkeit bzw. die Festigkeit gegenüber Stößen von Bauelementen zu erhöhen, bei denen dann die aufgehängte Struktur beispielsweise bei einem Fallenlassen an dem Boden oder Deckel eines Gehäuses schlagen könnte.at the micromechanical component and the deflectable arranged therein micromechanical functional structure does not have to be a act optical function structure or a mirror plate. The Stiffness of the non-rigid, preloaded suspension becomes not only lateral but also perpendicular to the plane which raises the suspension increases. this could for example, be used to shock resistance or the resistance to impact of building elements, where then the suspended Structure for example when dropped on the ground or Cover of a housing could beat.

Es ist auch denkbar, dass mit Hilfe der vorgespannten Aufhängung bzw. Torsionsfedern die mechanischen Eigenfrequenzen der mikromechanischen Struktur gezielt beeinflusst werden können, so dass dann beispielsweise die Trennung der Schwingungsmoden der mikromechanischen Funktionsstruktur verbessert werden kann. Zur Verdeutlichung sei darauf hingewiesen, dass die mikromechanische Funktionsstruktur mit ihrer Aufhängung ein schwingungsfähiges, durch Reibung gedämpftes, mechanisches Federmassesystem darstellen kann. Die Funktionalität der optischen Funktionsstruktur kann z. B. im Fall der Spiegelplatte des Scanners auf der Drehung der Spiegelplatte um die Torsionsachse, die durch die beiden mittig angebrachten Torsionsfedern gebildet wird, bestimmt sein. Durch die Verdrillung der Federn entsteht ein mechanisches Rückstellmoment, das proportional mit dem Auslenkwinkel der Platte zunimmt. Dieses System stellt somit einen harmonischen Oszillator dar mit entsprechenden Eigenfrequenzen und stabilen Moden.It It is also conceivable that with the help of the prestressed suspension or torsion springs the mechanical natural frequencies of the micromechanical Structure can be selectively influenced, so then For example, the separation of the vibration modes of micromechanical Functional structure can be improved. For clarification be noted that the micromechanical functional structure with its suspension an oscillatory, through Friction damped, mechanical spring mass system represent can. The functionality of the optical functional structure can z. B. in the case of the mirror plate of the scanner on the rotation the mirror plate around the torsion axis, passing through the two central attached torsion springs is determined. By the twisting of the springs creates a mechanical restoring moment, which increases proportionally with the deflection angle of the disk. This System thus represents a harmonic oscillator with corresponding Natural frequencies and stable modes.

Bei dem mikromechanischen Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich beispielsweise um ein resonantes oder ein nicht resonantes Mikrosystem mit elektrostatischem Antrieb und Torsionsfederaufhängung handeln. Dabei kann es sich beispielsweise um eindimensionale Torsionsschwinger, wie z. B. einen eindimensionalen Mikrospiegel, einen zweidimensionalen Torsionsschwinger, wie z. B. einen zweidimensionalen Mikrospiegel, aber auch einen Translationsschwinger, wie z. B. einem resonanten Senkspiegel mit einer aus Torsionsfederelementen bestehenden Aufhängung, wie er z. B. von Drabe u. a. in „A large deflection translatory actuator for optical path length modulation", Proc. SPIE Vol. 6.186, 618.604, 21. April 2006 , dargestellt ist, handeln. Das Einbringen der nichtstarren, vorgespannten Aufhängung kann in diesen Bauelementen z. B. zur Erhöhung der elektromechanischen Stabilität führen und zu einer Verbesserung bzw. Beeinflussung der Modentrennung in dem jeweiligen Bauelement.The micromechanical device according to the present invention may be, for example, a resonant or a non-resonant microsystem with electrostatic drive and torsion spring suspension. This may, for example, one-dimensional torsional vibration, such. B. a one-dimensional micromirror, a two-dimensional torsional vibration, such. B. a two-dimensional micromirror, but also a translation oscillator, such. B. a resonant Senkspiegel with a suspension consisting of Torsionsfederelementen suspension, as he z. B. of Drabe ua in SPIE Vol. 6.186, 618.604, April 21, 2006. A large displacement translatory actuator for optical path length modulation , is shown act. The introduction of the non-rigid, preloaded suspension can be used in these components z. B. lead to increase the electromechanical stability and to improve or influence the mode separation in the respective component.

Unter einer nichtstarren, vorgespannten Aufhängung kann beispielsweise eine verbiegbare, bzw. verformbare, vorgespannte Aufhängung gemeint sein, dabei kann es sich beispielsweise um Federn, Torsionsfedern, Biegefedern oder anderen nichtstarren Verbindungen handeln.Under For example, a non-rigid, preloaded suspension can a bendable or deformable prestressed suspension This may be, for example, springs, torsion springs, Bending springs or other non-rigid compounds act.

Wie in den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen gezeigt wurde, kann eine Vorspannung der nichtstarren Aufhängung durch Druckspannungen, Zugspannungen oder einen Spannungsgradienten, durch intrinsische mechanische Spannungen, oder eine Kombination der Methoden zur Erzeugung einer Zugspannung innerhalb der Aufhängung zu einer erhöhten Steifigkeit des mikromechanischen Bauelementes genutzt werden.As in the embodiments listed above shown, can be a bias of non-rigid suspension by compressive stresses, tensile stresses or a voltage gradient, by intrinsic mechanical stresses, or a combination the methods for generating a tension within the suspension to an increased rigidity of the micromechanical component be used.

Es ist aber auch denkbar, wie oben bereits beschrieben, dass die Vorspannung der Aufhängung, durch einen in dem Bauelement zusätzlich eingebauten mikromechanischen Antrieb oder auch einem externen zusätzlichen mikromechanischen Antrieb durchgeführt wird.It is also conceivable, as already described above, that the bias the suspension, by an additional in the device built-in micromechanical drive or even an external additional micromechanical drive is performed.

Es ist auch denkbar, dass das Gehäuse des mikromechanischen Bauelementes zur Vorspannung der nichtstarren Aufhängung benutzt wird, einerseits durch intrinsische Spannungen, die innerhalb des Gehäuses erzeugt werden oder auch durch einen Aktor, der sich innerhalb des Gehäuses befindet und beispielsweise aufgrund eines piezoelektrischen Effektes, eines thermischen Effektes, eines magnetisches Effektes oder auch jedes anderen physikalisch-chemischen Effektes funktioniert und eine Kraft auf die nichtstarre Aufhängung ausübt, um diese vorzuspannen.It is also conceivable that the housing of the micromechanical device is used for biasing the non-rigid suspension, on the one hand by intrinsic stresses generated within the housing or by an actuator which is located within the housing and For example, due to a piezoelectric effect, a thermal effect, a magnetic effect or any other physicochemical effect works and exerts a force on the non-rigid suspension to bias this.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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- DE 2006/000746 [0042]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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- "Investigation of nonresonant drive principles for microscanner mirrors for low-frequency or quasi-static light deflection", diploma thesis 2006, TU Dresden [0002]
- J. Mehner in "Design in Microsystems Engineering", Dresden University Press, 1999 [0003]
- T. Kießling et al. In "Bulk micro machined quasistatic torsional micro-mirror", in Proceedings of SPIE, MOEMS and Miniaturized Systems, 2004 [0003]
SPIE Vol. 6.186, 618.604, April 21, 2006 [0054] "A large displacement translatory actuator for optical path length modulation", Proc.

Claims

Micromechanical component, having the following features: a deflectable micromechanical functional structure ( 1 ); and a non-rigid, preloaded suspension ( 2 ), the micromechanical functional structure ( 1 ) is positioned in the micromechanical device.

Micromechanical component according to Claim 1, in which the deflectable micromechanical functional structure ( 1 ) a first comb electrode ( 1a . 1b ), wherein the micromechanical component has a second comb electrode ( 3a . 3b ) and wherein the non-rigid prestressed suspension ( 2 ) the first comb electrode ( 1a . 1b ) opposite the second comb electrode ( 3a . 3b ).

Micromechanical component according to Claim 1 or 2, in which the deflectable micromechanical functional structure ( 1 ) is a one- or two-dimensionally deflectable torsional oscillator.

Micromechanical component according to Claim 1 or 2, in which the deflectable micromechanical functional structure ( 1 ) is a translation oscillator.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 4, in which the non-rigid prestressed suspension ( 2 ) by an intrinsic stress in the suspension ( 2 ) is biased.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 4, in which the non-rigid prestressed suspension ( 2 ) is biased by an external force.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 4, having a structure ( 22a . 22b . 22c . 22e ), which is the non-rigid suspension ( 2 ).

Micromechanical component according to Claim 7, in which the structure ( 22a . 22b . 22c . 22e ) a compressive and / or tensile stress on the non-rigid suspension ( 2 ) exercises.

Micromechanical component according to Claim 8, in which the structure ( 22a . 22b . 22c . 22e ) defines an internal stress gradient to apply compressive and / or tensile stress to the non-rigid suspension ( 2 ) exercise.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 9, in which the micromechanical functional structure ( 1 ) has an intrinsic stress which is a compressive and / or a tensile stress on the non-rigid suspension ( 2 ) to bias them.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 10, having a housing on which the non-rigid suspension ( 2 ) is attached.

Micromechanical component according to claim 11, having an actuator which is arranged in the housing, wherein the actuator is effective to prevent the non-rigid suspension ( 2 ) to bias.

Micromechanical component according to claim 12, in which the actuator after the piezoelectric, the thermal, the electrostatic, the magnetostrictive principle or a other physical-chemical principle works.

Micromechanical device according to a of claims 1 to 13, wherein the micromechanical device a resonant microsystem with electrostatic drive and torsion spring suspension is.

Micromechanical device according to a of claims 1 to 13, wherein the micromechanical device a quasi-static microsystem with electrostatic Drive and torsion spring suspension is.

Micromechanical component according to one of Claims 1 to 15, in which the non-rigid preloaded suspension ( 2 ) is a torsion or a bending spring.